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PCB走线电流容量在设计中的作用


PCB走线电流容量在设计中的作用

当涉及PCB设计时,PCB走线电流容量所构成的限制至关重要。虽然IPC-2221通用设计指南是一个很好的起点,但PCB走线宽度计算器提供了可用于电路板设计的准确值。 

PCB上的走线的电流容量由走线宽度,走线厚度,所需的最大温升以及走线是在内层还是外层以及是否被阻焊剂覆盖等参数决定。 

在本文中,我们将讨论:

PCB走线宽度

PCB走线载流量

大电流PCB

高电流PCB布局准则

大电流PCB的设计技巧

PCB走线宽度计算器

什么是PCB走线宽度?

PCB走线或PCB走线是PCB上的铜导体,可在PCB表面传导信号。蚀刻后留下的是铜箔的平坦狭窄部分。流过铜迹线的电流会产生大量的热量。正确校准的PCB走线宽度和厚度有助于最大程度地减少电路板上的热量积聚。迹线越宽,对电流的阻抗越低,并且热量累积越少。如下图所示,PCB走线宽度是走线的水平尺寸,而厚度是走线的垂直尺寸。 

PCB走线结构

PCB的开发总是从默认走线宽度开始的。但是,这样的默认走线宽度并不总是适合于所需的PCB。这是因为您需要通过考虑走线的电流承载能力来确定走线宽度。

确定正确的走线宽度时,有几个因素需要考虑:

铜层厚度铜厚度是PCB上的实际走线厚度。大电流PCB的默认铜厚度约为1盎司(35微米)到2盎司(70微米)

导线的截面积– PCB上更高的功率要求要求走线具有更大的截面积。这与走线宽度成正比。

迹线的位置底层或顶层或内层

您如何设计大电流PCB

数字,RF和电源电路主要处理或传输低功率信号。这些应用的铜重量为1-2oz,载流电流为mA1A2A。在某些应用中,例如电机控制,需要高达50A的电流,这将需要PCB上的铜重量更大和走线宽度更大。

针对高电流需求的常规设计方法是加宽铜走线并将走线的厚度增加到2oz。这将增加板上的空间要求以及板上的层数。

高电流PCB布局准则

 这些是设计和制造大电流PCB的准则:

保持高电流走线短

较长的走线具有较高的电阻值,并且还承载较高的电流,从而导致较大的功率损耗。由于功率损耗会产生热量,因此电路板寿命会缩短。因此,保持承载大电流的走线尽可能短至关重要。

在适当的温度上升下计算走线宽度

迹线宽度是变量的函数,例如电阻和通过它的电流以及允许的温度上升。常规地,在高于25℃的环境温度时允许10℃的温度升高。如果板的材料和设计允许,甚至可以允许温度升高20°C 

将敏感组件与热隔离

某些电子组件,例如电压基准,模数转换器和运算放大器,对温度变化敏感。当这些组件受热时,它们的信号可能会改变。

已知大电流板会发热,因此需要将上述组件与热点进行一定程度的热隔离。您可以通过在板上开孔并提供散热装置来实现此目的。 

取下阻焊膜

为了增加走线的电流能力,您可以去除阻焊层,该阻焊层暴露出下面的铜。然后,可以将其他焊料添加到走线上,这将增加走线的厚度并降低电阻。这将允许更多的电流流过走线,而不会增加走线宽度,也不会增加额外的铜厚度。

在大电流分量下使用多边形浇注

现场可编程门阵列(FPGA)和处理器采用球栅阵列(BGA)和线栅阵列(LGA)封装,对电流的要求很高。为了实现高电流流动,您可以在芯片正下方倒入方形多边形,然后将过孔下拉并连接到它们。然后,您可以将多边形浇筑链接到较粗的电源走线或电源平面。

将铜倒在IC

将内部层用于大电流路径

如果PCB的外层没有足够的空间放置较厚的走线,则可以在内部板层中实心填充。接下来,您可以使用过孔链接到存在于外层的高电流设备。

添加铜条以获得非常高的电流

电流超过100A的电动汽车和大功率逆变器,铜走线可能不是传输功率和信号的最佳方法。在这种情况下,您可以使用可焊接到PCB焊盘上的铜汇流排。铜汇流排的厚度比走线厚得多,并且可以根据需要承载高电流而没有任何发热问题。

母线上的PCB

使用通孔缝合在承载大电流的多层上进行多条走线

当走线不能在单层中承载所需的电流时,走线可以在多层上布线,并通过将各层链接在一起的缝合方式进行处理。在两层走线厚度相同的情况下,这将增加载流能力。 

什么是PCB走线宽度计算器?

迹线宽度取决于许多因素,例如铜层厚度,迹线的迹线位置长度等,因此很难手动计算准确的值。这就是为什么大多数生产PCB的企业都提供工具来计算走线宽度的原因。PCB走线宽度计算器是一种工具,它考虑了上述所有因素,可为所需的走线宽度提供准确的值。

根据IPC-2221印刷电路板设计通用标准,PCB走线电流限制可以进一步分为内部导体和外部导体。下图显示了与走线宽度相关的不同变量之间的关系。这些变量是迹线横截面积,温度升高以及外部导体和内部导体的最大载流能力。

电流VS 外部导体的横截面图

导体宽度Vs。横截面图

电流VS 内部导体的横截面图

根据这些图,下面给出了计算载流量的公式:

I = KΔT0.44 A 0.75

K =内部导体为0.024,外部导体为0.048

ΔT=°C为单位的最大温差

A =mil²为单位的铜走线的截面积

I =载流量(安培)

现有的PCB走线宽度计算器仍然基于图表中的数据和上面给出的公式。它们是PCB设计人员使用的便捷工具,可以非常精确地计算走线宽度。该表中提到了温度升高10°C2盎司铜的最大载流量。

最大电流容量(安培)

外部层的最小走线宽度(mil

内层的最小走线宽度(密耳)

2

42.39

110.28

4

110.28

286.89

6

192.92

501.88

8

286.89

746.33

10

390.29

1015.32

在确定走线电流容量时,有复杂的因素在起作用。但是,PCB设计人员可以依靠走线厚度计算器的可靠性来帮助有效地设计其电路板。在设计可靠且高性能的PCB时,正确设置走线宽度及其载流能力可能会走很长一段路。

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